DE3222008A1 - Hydrostatischer oder pneumatischer antrieb sowie verfahren zu seinem betrieb - Google Patents
Hydrostatischer oder pneumatischer antrieb sowie verfahren zu seinem betriebInfo
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Description
-4-
zu seinem Betrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydrostatischen oder pneumatischen Antrieb für zu beschleunigende
und abzubremsende Massen, insbesondere in Druck- und Spritzgießmaschinen, mit einem linearen oder rotativen
Motor, mit einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle und mit einer Ventilanordnung, deren Durchlaßöffnung
zur Abgabe eines Arbeitsstroms steuerbar ist, insbesondere mit einem Sollwert-Steuergenerator zur Steuerung
der Ventilanordnung, sowie auf ein Verfahren zum Betrieb dieses Antriebs.
In Druck- und Spritzgießmaschinen wird eine ruhende oder bewegte Masse mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit
angetrieben, um auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebracht zu werden. Hierzu wird beispielsweise eine Drossel
zunehmend aufgesteuert, um einen wachsenden Druck an den
Kolben anzulegen, der die Masse antreibt. Die Hydraulikflüssigkeit ist jedoch nicht inkompressibel, auch können
sich die Komponenten des Antriebs ausdehnen, insbesondere die hydraulischen Leitungen, so daß ein bestimmter Anteil
des zugeführten Hydraulikstroms kapazitiv vom Antriebssystem aufgenommen wird und sich nicht unmittelbar in
einer Verschiebung der Masse bemerkbar macht. Dieser kapazitiv aufgenommene Hydraulikstrom repräsentiert eine gespannte
Feder, die mit der Masse ein schwingungsfähiges Gebilde ergibt. Die Schwingungsanregung ist umso großer,
je rascher man auf die gewünschte Endgeschwindigkeit zu kommen wünscht. Wenn man also den Sollwert-Steuergenerator
mit einer steilen Rampe zwischen den verschiedenen Sollwerten betreibt, antwortet das System mit schwach
gedämpften Schwingungen, d.h. der Druck pendelt sich nur allmählich auf seinen Sollwert ein, ebenso die Geschwindigkeit
des Kolbens. In der Praxis wird deshalb eine Rampe in der Größenordnung von 400 ms eingehalten. Ferner ist
die Ansicht vertreten worden, daß die Zykluszeit von
Spritzgießmaschinen, in welche die Übergangsbereiche
zwischen unterschiedlichen Geschwindigkeiten eingehen, nicht wesentlich reduziert werden kann ("Microelectronics
in Injection Molding Machines" von Dr. W. Elbe und R. K. Jackson, Firmenschrift von Mannesmann-Demag und
Mannesmann-Demag-Hamilton, insbesondere Seite 4).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik eines hydrostatischen oder pneumatischen Antriebs
zu verbessern, um gegebenenfalls die Maschinenzykluszeit
zu verkürzen und/oder die Beanspruchungen der Maschine herabzusetzen. Gegebenenfalls kann auch Antriebsenergie
eingespart werden, weil zusätzliche, energieverbrauchende Dämpfungsmaßnahmen entfallen können. Im Fall von
Druck- und Spritzgießmaschinen kann beispielsweise mit niedrigeren Gegendrücken gefahren werden.
Die Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Antrieb in schema-
tischer Darstellung, Fig. 2 ein Diagramm der Steuerspannung U, des
Arbeitsstroms Q1,, der zeitlichen Ableitung
D des Arbeitsstroms, der zugehörigen Drucks P, des abgeführten Hydraulikstroms
Q, 2> des zugehörigen Gegendrucks G, der
Verschiebung S, der Geschwindigkeit V und der Beschleunigung B der Masse über der
Zeit in ms,
Fig. 3 ein weiteres Diagramm des Steuerstroms U,
des Arbeitsstroins Q11, des zugehörigen
Drucks P, des abgeführten Arbeitsstroms A, des zugehörigen Gegendrucks G und der
Geschwindigkeit V über der Zeit t in ms.
Die Hauptkomponenten der in Fig. 1 dargestellten Antriebsanordnung sind eine Kolben-Zylinder-Einheit 1
als hydrostatischer oder Verdrängermotor, eine Pumpe 2 und ein zugehöriges ansteuerbares Druckbegrenzungsventil
3 als eine hydraulische Druckquelle, ein Druckdifferenz-Konstanthalte-Ventil
4, eine elektrisch ansteuerbare Ventilanordnung 5 und ein Sollwert-Steuergenerator 6. An
der Kolben-Zylinder-Einheit 1 kann ein Auslaßventil 7 angeschlossen sein. Es versteht sich, daß zur Absicherung
des Systems übliche Druckbegrenzugnsventile angeschlossen sein können, die ebenso wie eine weitere Pumpe mit Zusatzventilen
für höheren Hydraulikstromverbrauch nicht dargestellt sind.
Die Pumpe 2 fördert Hydraulikflüssigkeit in eine Förderleitung 10 hinein, die sich durch die Ventilanordnung
5 erstreckt und als Eingangsleitung 11 zur Kolben-Zylinder -Einheit 1 weiterführt, deren Ausgangsleitung
mit 12 bezeichnet ist. Der in der Förderleitung 10 sich aufbauende Druck wird über eine Steuerleitung 13 und eine
Reihe von Drosseln der Rückseite des Ventils 3 zugeführt, die über eine weitere Steuerleitung 14 mit dem Ventil 4
verbunden ist. Über eine weitere Steuerleitung 15 ist eine Verbindung zur Eingangsleitung 11 geschaffen. Auf
^iese Weise liegt am Ventil 4 die Druckdifferenz an, die
sich als Druckabfall an der Ventilanordnung 5 zwischen den Leitungen 10 und 11 ergibt. Wenn dieser Druckabfall
einen bestimmten Wert von beispielsweise 2 bar übersteigt, öffnet das Ventil 4 und sorgt für eine Einregelung des
Steuerdrucks am Ventil 3. Dieses versucht, die eingestellte Druckdifferenz von 2 bar aufrechtzuerhalten, d.h.
wenn der Druck in der Leitung 10 gegenüber der Leitung 11 um mehr als 2 bar ansteigt, spricht das Ventil 3 an
und entlastet die Leitung 10 dementsprechend. Es wird also ein konstanter Druckabfall an der Ventilanordnung
5 erzeugt.
Die Ventilanordnung 5 stellt eine sogenannte Proportionaldrossel dar, d.h. die Weite ihrer Drosselöffnung
20 hängt proportional von der Größe der zugeführten Sollwert-Steuerspannung U ab, wenn eine gewisse Regelzeit
verflossen ist. Im einzelnen kann man dies dadurch erreichen, daß ein Sollwert-Istwert-Vergleicher 21 den von
dem Steuergenerator 6 gelieferten Sollwert U mit dem Ist-
-7-
wert der Drosselöffnung 20 vergleicht, der mittels eines
Wegabtasters 22 gewonnen wird. Es wird so lange nachgeregelt, bis der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt.
In der Praxis wird die Drosselöffnung 20 durch ein Hauptventil gebildet, das über ein Pilot- oder Vorsteuerventil
gesteuert wird, was nicht im einzelnen erläutert werden muß.
Wenn man die Drossel 20 zunehmend öffnet} was durch
ein rampenartig ansteigendes Sollwert-Signal U geschehen kann, erhöht sich der Druck in der Leitung 11, und der
lineare Verdrängermotor 1 setzt sich in Bewegung. Es wird dabei aber nicht nur der Zylinderraum entsprechend einem
Strom Q. vergrößert, sondern wegen der Kompressibilität
der Hydraulikflüssigkeit und der Ausdehnung der Komponenten bei steigendem Druck wird gewissermaßen eine hydraulische
Kapazität C, mit dem Strom Qp. gefüllt, der aus
dem zugeführten Arbeitsstrom Q1, mitgespeist wird. Das
aufgenommene Volumen wird als Kompressionsvolumen V, bezeichnet. Die Kapazität C1 stellt einen Energiespeicher
im Sinne einer gespannten Feder dar und ergibt zusammen
mit der anzutreibenden Masse M ein schwingungsfähiges
Gebilde. Dieses kann zwar durch eine Bremse, gebildet durch den abgeführten Hydraulikstrom Q12 und das drosselnde
Auslaßventil 7, gedämpft werden, jedoch muß auch der Auslaßseite eine Kapazität C2 zugesprochen werden, die
wiederum einen Energiespeicher darstellt, der zu weiterer Schwingungsanregung Anlaß geben kann.
Überraschenderweise ist festgestellt worden, daß die Schwingungsanregung weitgehend vermieden wird, wenn
die Sollwert-Steuerspannung U den in Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Verlauf hat.
Der Soll\vTert-Spannungsgenerator 6 kann zwei
Impulsgeneratoren zur Erzeugung des positiven und negativen Impulses sowie einen Rampengenerator enthalten, der
gewissermaßen die Bezugsspannung für die Impulsgeneratoren liefert. Es kann sowohl die Impulsbreite als auch
Impulshöhe der Impulsgeneratoren als auch die Rampen steilheit und Rampenhöhe des Rampengenerators eingestellt
" Ί .: -Κ .·:>·": 32220Ü8
-δι werden. Bei wechselnden Anforderungen, wie dies in
Druck- und Spritzgießmaschinen der Fall ist, kann ein Mikroprozessor 8 vorgesehen sein, um die Impulsgeneratoren
und den Ramp'engenerator entsprechend zu steuern. 5' Auf diese Weise können die physikalischen Größen, die
das Kompressionsvolumen V. bestimmen, für jeden Anwendungsfall genau berücksichtigt werden. Ferner kann
bestimmt werden, ob zusätzliche Impulse IQ und IR aufgeschaltet
werden oder ob das Aufschalten eines Impulses gänzlich entfällt, wie dies beim Auslauf bzw. Formschluß
der Fall ist.
Fig. 2 stellt eine zeitabhängige Spannungsrampe U dar, der beim Beginn des Rampenanstiegs ein positiver
Steuerimpuls I, und am Ende des Rampenanstiegs ein negativer Steuerimpuls I2 überlagert sind. Die Größe
dieses positiven und negativen Steuerimpulses I.. und
I2 hängt von dem jeweiligen Kompressionsvolumen Vk ab,
wie nachfolgend erläutert wird.
Wenn der Kolben des Motors 1 eine dem zugeführten Druck p.. ausgesetzte Seite A.. und eine abgewandte
Seite A2 mit dem Druck "P2 aufweist, kann für die Kräfte
die folgende Gleichung aufgestellt werden:
Ms - P1 . A1 - p2 . A2 - FR .
Wenn man die Reibkraft FR und die Gegenkraft G = ^P2 · A?
vernachlässigt, verbleibt als verkürzte Kraftgleichung Ms = P^ . A1 .
Die Drücke p.., p2 sind zeitlich nicht konstant, wodurch
sich zeitlich ändernde kapazitive Hydraulikströme Q1 und Qp2 entsprechend Qp = ρ . C ergeben. Die Geschwindigkeitsgleichung
lautet damit:
s =
Ί "1 "1
Wenn sich der zugeführte Druck von einem Anfangswert
P1 auf einen Endwert p, ändert, ergibt sich das foloc la ie
gende Kompressionsvolumen:
,,.Ζ' :;!,.Vk = (Pie - Pia} - C1
und eine verkürzte Kraftgleichung
COPV
Μς - f/p - η ") A
Ms " 1Me P1a; * 1 '
Wenn man eine rampenartig ansteigende Geschwindigkeit sR während der Druckanstiegszeit tR und damit einen
Anfangswert Q1 und einen Endwert Q1 des Hydraulik-
la (6
Stroms Q, zugrundelegt, ergibt sich für die Beschleunigung sR folgendes:
^R Q1a ~ Q1e (p1e " ρ^ ' A1
sr t~ = x; . tD = μ
tR · 1 K
Daraus errechnet sich das Kompressionsvolumen zu:
CQ1e - Q1a) . C1 . M
A, . tR
Dieses Kompressionsvolumen V. wird gewissermaßen zu Beginn der Rampe aufgeschaltet, d.h. es wird ein Sollwert-Spannungsimpuls
I, gegeben, dessen Inhalt diesem Kompressions volumen V1. entspricht. Zur Berücksichtigung
JtC
der Gegenkraft G und der Reibkraft FR werden zusätzliche Impulse
Ig und IR aufgeschaltet. Die Größe dieser Impulse
Iq und In wird empirisch ermittelt.
Der Spannungsimpuls I^ am Ende der Anstiegsrampe entspricht flächenmäßig dem Impuls I, wie errechnet.
Wenn man die Werte M, C1 und A1 im Anwendungsfall
als maschinengegeben annimmt, hängt die Impulsfläche I1 bzw. Io nur von der Spannungsdifferenz und der Rampensteilheit
der Sollwert-Spannung U ab. Wenn man also zur Verkürzung der Maschinenzykluszeit die Rampensteilheit
erhöht, muß man einen umso größeren Impuls I1
bzw. Ij der Rampe überlagern. Daraus folgt, daß man
bei einem zeitlich flachen Rampenteil einen geringen Spannungsimpuls zu überlagern hat, den man in einem
solchen Fall auch fortlassen kann, wie in Fig. 3, rechte Diagrammseite, dargestellt.
Die Erfindung ist auch mit Bezug auf Wegrampen anwendbar. Die Größe des Impulses I^ (Fig. 3) kann
dabei durch analoge Betrachtungen ermittelt werden, und zwar zu:
ha ' |
• « *
C1 . |
• 0 * M |
-10-
■ Ks |
|
C
τ -■» |
V | |||
1Z |
Dabei kennzeichnet K^ das Gefälle der Rampenfunktion U,
während die übrigen Symbole die bereits erläuterte Bedeutung haben. Aus Gründen der Darstellung ist jedoch
die D-Kurve an der t-Koordinate gespiegelt, d.h. die Werte sind in Wirklichkeit negativ. Am Ende des Rampenabfalls
sollte an sich ein positiver Impuls I- stehen. Da jedoch die Geschwindigkeit gegen 0 gehen soll, wird
ein solcher Steuerimpuls der Sollwert-Steuerspannung nicht überlagert. Wenn dagegen auf eine endliche Geschwindigkeit
heruntergefahren werden soll, wird ein solcher positiver Steuerimpuls I, angewendet.
In Fig. 2 sind die kennzeichnenden Werte des Antriebs für das Anfahren aus dem Stillstand wiedergegeben.
Erst wenn sich ein gewisser Druck ρ aufgebaut hat, kommt die anzutreibende Masse in Bewegung. Die
Beschleunigung B setzt ein, erreicht bei etwa der Rampen mitte ihren höchsten Wert und sinkt dann auf 0 herab.
'Die Kurve Q11 des Arbeitsstroms folgt mit einer gewissen
Verzögerung der Sollwert-Funktion U, ohne jedoch deren Sprünge mitmachen zu können. Die Änderung D des Arbeitsstroms spiegelt den Stoßcharakter der Antriebskräfte
besser wieder, wie sich aus dem positiven Zacken D, entsprechend dem Impuls I, und dem negativ gerichteten
Zacken D^ entsprechend dem Impuls I2 ergibt. Es muß
als überraschend gelten, daß ein derartiger Impulscharakter Schwingungen des Systems weitgehend unterbindet,
während normalerweise Antriebsimpulse zur Schwingungsanregung Anlaß geben.
Während die Sollwert-Funktion U in Fig. 2 als eine Analogfunktion dargestellt ist, ist es auch
möglich, die Sollwert-Funktion durch Nadelimpulse nachzubilden und bereitzustellen. Die Sollwert-Funktion
kann auch durch digitale Codierung dargeboten werden. In allen diesen Fällen wird die Ventilanordnung 5 so
gesteuert, wie es das Analogsignal U in Fig. 2 angibt. In der Ventilanordnung 5 kann anstelle einer
30
35
ξ 1 einfachen Drossel Öffnung 20 auch ein Drosselventil
3 mit zwei Drosselkanten verwendet werden, um beispielswei-
5 se sowohl den zufließenden wie den abfließenden Hydrau-
I likstrom zu beeinflussen. Die Steuerung des dem Motor
I 5· zugeführten Hydraulikstroms braucht im übrigen nicht
j über ein konstantes Druckgefälle zu erfolgen; andere
j Steuerarten sind ebenfalls anwendbar. Wesentlich ist
J es, daß dem Hydraulikstrom zu Beginn eines Rampenan-
\ stiegs - bei seinem Ausgangswert Q1 - eine positive,
i
j 3.
10 stoßartige Volumenstromzunahme D. und am Ende des Rampenanstiegs
- nahe dem Endwert Q, - eine negative stoßartige Volumenstromabnahme -D^ überlagert wird, wobei
diese Volumenstöße - oder ein Anteil - im Verhältnis zum Kompressionsvolumen V, des Systems stehen. Die
15 stoßartige Volumestromzunahme D1 spiegelt auch die
Existenz der Impulse IG und In wieder. Der Impuls I^
bzw. das Kompressionsvolumen V, repräsentieren somit nur einen Anteil vom Gesamtinhalt des Volumenstoßes D1 . Der
Impuls I-, und der Volumenstoß D^ entsprechen einan-
20 der. Da die Steigung K der Kurve ν in Fig. 3 bei zunehmendem
t gegen Null geht, wird 1. und damit D. ebenfalls
Null.
25
Leerseite
COPY j
Claims (6)
1. J Hydrostatischer oder pneumatischer Antrieb für zu beschleunigende und abzubremsende Massen, insbesondere
in Druck- und Spritzgießmaschinen, mit einem linearen oder rotativen Motor, mit einer hydraulischen
oder pneumatischen Druckquelle und mit einer Ventilanordnung, deren Durchlaßöffnung zur Abgabe eines Arbeitsstroms
steuerbar ist, insbesondere mit einem Sollwert-Steuergenerator zur Steuerung der Ventilanordnung,
dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwert-Steuergenerator (6) eine weg- oder zeitabhängige
Rampe (U) mit einem überlagerten positiven Steuerimpuls Cl-i ) bei Beginn des Rampenanstiegs bzw. am Ende
des Rampenabfalls und mit einem überlagerten negativen Steuerimpuls (I2) am Ende des Rampenanstiegs bzw. (I,)
am Anfang des Rampenabfalls abgibt, wobei die Größe des
positiven und negativen Steuerimpulses in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kompressionsvolumen (V„) gewählt sind.
2. Antrieb nach Anspfuch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren einer r.· .enden
Masse dem positiven Steuerimpuls (I-i) zur Berücksichtigung
eines GegendrucKs und von Reibkräften weitere Impulse (Ip, IR) überlagert werden.
München: R. Kramer Dipl.-Ing. W. Weier Dipl.-Pliys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. COPY I
Wiesbaden: P. G. Bkimbach Dipl.-Ing.· P. Bergen Pro!. Dr. j"ur. Diol.-Ing., Pat.-Ass.. Pat.-Anw. bis 1«79 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-If- Λ
3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von auf 0 abzubremsenden
Massen der positive Steuerimpuls entfällt.
4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert-Steuergenerator (6) einen Impulsgenerator für positive Impulse, einen
Impulsgenerator für negative Impulse und einen Rampengenerator umfaßt, deren Werte von außen einstellbar sind.
5. Antrieb nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor zur Steuerung der Impulsgeneratoren und des Rampengenerators vorgesehen
ist, wobei dem Mikroprozessor die Werte über den Eingangsstrom am Anfang und Ende der Rampe (Q1 , Q1 )
die hydraulische Kapazität (C,), die anzutreibende Masse (M), die Kolbenfläche des Motors (1) und die zeitliche
Rampenlänge (t«) bzw. die Steilheit der Rampe (Kg) zuführbar
sind.
6. Verfahren zum Betrieb eines hydrostatischen oder pneumatischen Antriebs für zu beschleur.igende
und abzubremsende Massen, insbesondere in Druck und Spritzgießmaschinen, mit einem linearen oder rotativen
Motor, mit einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle und mit einer Ventilanordnung, deren Durchlaßöffnung
zur Abgabe eines Arbeitsstroms steuerbar ist, insbesondere mit einem Sollwert-Steuergenerator zur Steuerung
der Ventilanordnung,
dadurch gekennzeichnet , daß die Änderung des Arbeitsstroms (Q11 ) von einem Ausgangswert (Q1 β) zu einem Endwert (Q1 ) wie folgt erfolgt:
dadurch gekennzeichnet , daß die Änderung des Arbeitsstroms (Q11 ) von einem Ausgangswert (Q1 β) zu einem Endwert (Q1 ) wie folgt erfolgt:
zunächst, bei einem Ausgangswert (Q1 ), erfolgt eine
I 3.
stoßartige Volumstromzunahme (D1) bzw. -abnähme (-D^),
je nach dem Vorzeichen der Änderung; dann, im mittleren Bereich, erfolgt eine allmähliche Änderung
des Volumenstroms;
schließlich, nahe dem Endwert (Qi0), erfolgt - je nach dem Vorzeichen der Änderung - eine stoßartige Volumenabnahme (-D7) bzw. -zunähme;
schließlich, nahe dem Endwert (Qi0), erfolgt - je nach dem Vorzeichen der Änderung - eine stoßartige Volumenabnahme (-D7) bzw. -zunähme;
322200
wobei ein Anteil der stoßartigen Volmnenstromänderung
(Dp -D2, -D,) in Beziehung zum !Compressionsvolumen (
gewählt ist.
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